3D打印技術在機械原理課程教學中的應用

毛瑋 蔣洪奎

摘要：3D打印技術是快速成型技術的一種，結合當下較為熱門的三維軟件建模，它可以方便地制造出各種所需要的模型。在機械原理課程中，動手與實踐是提高學生學習熱情并加深對知識的理解與應用的一種有效方法，而3D打印的實踐正好可以成為機械原理課程教學的實用工具。

關鍵詞：3D打印技術;Solidworks;機械原理;創新

機械原理是機械類專業中一門重要的專業基礎課程。當前，在機械原理的課程教學中普遍存在著教具單一、實驗實踐性不強等問題。3D（3 Dimensions）打印技術是一種快速成型技術，若將3D打印技術運用在機械原理課堂上，結合Auto CAD、Solidworks等主流工業軟件對所需的實驗器材進行設計并構建數字模型，通過3D打印機加工出來。從“無”到“有”的全過程，可以激發學生對機械原理課程學習的興趣，并可以更好地理解和掌握課程內容。

1.3D打印技術在課程教學中的應用

3D打印其本質是快速成型技術，它是一種以數字模型為基礎，運用固體、液體塑料或金屬等可黏合材料，通過熔融沉積成型的方式來建造實物。3D打印加工技術跟傳統的制造方法有很大的不同，它可以在不需要磨具或切削加工的情況而采用分層制造和逐層疊加的方法去實現產品的生產。自從有了該技術，使用者只需要利用CAD設計軟件設計出產品的3D模型，而以前的數控制造必須要在有材料的基礎下才可以加工，得到需要的零部件，再經過拼裝和焊接等環節才能得到成品。3D打印技術與它相比可以簡化這個過程，可以不需要模具和原胚，只利用計算機軟件制作出來的圖形數據，對產品的加工程序進行了優化，同時還減少了制造花費的時間，對生產效率有了很大地提高。

3D打印技術應用在機械原理課堂下將會有以下優勢：

1.1充分利用軟件技術

隨著計算機的普及，軟件技術在當下發展迅速，3D打印技術也離不開軟件技術，利用當下較為熱門的軟件，如Solidworks，Auto CAD等CAD軟件可以有效地幫助我們實現二維分析、三維建模等功能。

1.2制作直觀的教學用具

目前，教師在使用語言和圖片講述教學內容時，使用的教具多為機械原理教學展柜，該教具內容單一，學生只能通過觀察的方式去理解各類機構，并不能有效地理解教師所講授的知識點。而學習機械原理課程的目的就是在理解的基礎上對各類機構進行設計計算，此類教具無法幫助學生應用與設計。例如，凸輪機構的設計，學生只能通過教具理解機構的運作方式，并不能有效地學會凸輪機構的設計。現在通過3D打印，讓同學自己通過三維軟件自己設計出凸輪，再通過3D打印呈現出來，即新穎又直觀，彌補以前課程看不懂、聽不明白的劣勢。

2.3D打印技術在機械原理課程教學中的應用方法

本文利用“反轉法”對盤形凸輪進行教學設計。

凸輪機構的基本任務就是根據工作要選定合適的凸輪機構，按照選定的推桿運動規律設計出凸輪的輪廓曲線。

已知設計的凸輪為對心直動尖頂推桿盤形凸輪，基圓半徑為40mm，凸輪按順時針方向轉動，從動桿的位移規律為：

拋開傳統的課程教學中用尺規作圖，現將3D打印技術運用到課程教學中，具體如下：

2.1畫出凸輪的傳動行程圖

以橫坐標為凸輪轉角6，縱坐標為從動桿的位移距離s，利用Auto CAD作出傳動桿的行程圖，如圖1所示。

2.2繪制凸輪輪廓曲線

根據凸輪的轉角于傳動桿的位移距離關系圖，利用AutoCAD進行凸輪機構輪廓曲線繪制，先繪制出凸輪基圓，截取每個等分點的長度旋轉其相對應的轉角，用直線將等加速轉角內的每一個點依次連接，再利用PODIT指令將直線擬合成曲線，這就是等加速角的輪廓曲線，而休止角處的輪廓曲線為一段等曲率的圓弧，如圖2所示。

2.3繪制凸輪三維模型及打印

將凸輪的輪廓提取出來，另存為通用度較高的DXF格式Auto CAD圖形交換文件。再將DXF文件在Solidworks內導入，在Solidworks中導入的凸輪的輪廓曲線將以草圖的形式進行儲存，再通過拉伸草圖生成凸輪的三維模型，如圖3所示。在Solidworks內另存為STL二進制文件，將STL二進制文件導入3D打印軟件中設置打印參數后生成GSD文件進行3D打印。再利用數據線或USB設備將GSD文件傳輸給3D打印機打印出模型，再將從動件，機架等零部件利用Solidworks與Auto CAD進行配合設計，設計完后也進行3D打印，零部件全部打印完畢后進行裝配（不同廠家的3D打印機所使用的3D打印軟件可能有所不同，操作方法也可能略微的差距）。國內市場上所出售的3D打印機精度均可達到0.05mm，可以滿足極限偏差中精密級的加工精度要求。

3D打印技術還可以應用在齒輪設計、四桿機構設計、以及其他常用機構設計等方面。在課程教學中應用3D打印技術，既可以脫離傳統教具的限制，節省成本，又可以讓學生真正地掌握機械原理的核心內容。

3.3D打印技術在機械原理課程教學中的應用意義

將3D打印技術應用在機械原理課程教學中，讓學生在設計的過程中應用CAD技術，通過自己動手繪制凸輪的輪廓曲線，將繁瑣的理論知識通過實踐的方式呈現出來，這樣增加了學生的學習樂趣，也提高了學生對機械原理理論知識的掌握。通過結合不同軟件的特點，使用不同的軟件合作的方式進行設計，即提高了對三維軟件的使用能力，又強化了學生解決實際問題的能力。從實踐效果來看，將3D打印技術應用在機械原理課程教學中，主要有以下有點：

3.1實現了理論課程的可視化教學

傳統的教學中，往往是教師通過尺規在黑板上作圖或是在多媒體的投影上進行演示，將書本的理論知識生硬地搬到課堂上，參數與數據只能通過繁瑣的計算得出，學生跟著老師的思路進行，很難留有獨立的空間獨立思考，而課堂上運用了3D打印技術，將設計的凸輪打印出來，讓學生去實測凸輪的真實工作狀態，這樣實現了教學的可視化。

3.2體現了做中學的工程教學理念

按照傳統的教學模式，學生若想理解凸輪輪廓的設計，需要在課后花較多時間進行練習，而且知識點容易遺忘，教學效果不明顯，而實際上普通高校能課后主動去練習的學生所占比例并不多。而讓學生通過CAD軟件，在課堂上自己跟著教師進行凸輪輪廓曲線的設計，再通過三維建模與3D打印做出模型觀察數據，通過動手實踐的方式將所學的知識趁熱消化，在課堂上教會學生如何有效地去設計，避免了學生實踐經驗不足的缺陷。

3.3培養了學生的綜合工程素質

在整個教學的過程中，通過開放課堂的形式，讓學生以小組合作的方式進行設計試驗。從位移分析到行程計算，從凸輪輪廓曲線的繪制到三維模型的建模，最后進行3D打印以及記錄實驗數據，整個過程都是工程項目的方式開展，這樣對學生的工程能力和綜合素質的提高都大有裨益。當然，在機械原理課程教學中應用3D打印技術應用，也有不足之處，例如，該課程設計不適合于大班化教育，開放性的課堂不易于學生專注于學習以及課堂的管理，對學生軟件基礎的要求較高等。

4總結

通過3D打印技術在機械原理課程教學中的實現，能讓學生自己動手在CAD軟件對機構進行可視化設計實踐，再將三維模型同過3D打印制造成實物進行實驗，增加了學生在課堂上的互動，動手實踐后可以感受新技術的同時掌握繁瑣的理論知識。